中國主要煤炭基地生態(tài)環(huán)境脆弱度判定與優(yōu)化措施研究

劉佳駿，史 丹，李 宇

(1.中國社會科學(xué)院財經(jīng)戰(zhàn)略研究院，北京 100045；2.中國社會科學(xué)院工業(yè)經(jīng)濟研究所，北京 100836；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

中國主要煤炭基地生態(tài)環(huán)境脆弱度判定與優(yōu)化措施研究

劉佳駿1，3，史 丹2，李 宇3

(1.中國社會科學(xué)院財經(jīng)戰(zhàn)略研究院，北京 100045；2.中國社會科學(xué)院工業(yè)經(jīng)濟研究所，北京 100836；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

本研究基于我國陸地國土空間的生態(tài)環(huán)境脆弱度分異與我國主要煤炭礦區(qū)進行空間擬合，在整個國土空間范圍上判別我國主要煤炭基地所處生態(tài)環(huán)境脆弱程度，揭示不同煤炭基地相關(guān)生態(tài)環(huán)境因子約束類型，提出針對不同類型煤炭基地生態(tài)約束類型的綠色開采措施與我國未來煤炭基地生產(chǎn)調(diào)控政策。

煤炭基地；生態(tài)環(huán)境脆弱度；空間擬合；調(diào)控對策

1 引言

對于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱度的綜合評價是一個多層次、多任務(wù)、多目標(biāo)的系統(tǒng)工程，其理論基礎(chǔ)源于生態(tài)經(jīng)濟學(xué)、生態(tài)學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)的原理。目前我國在礦區(qū)環(huán)境影響評價中，主要是對礦區(qū)大氣環(huán)境、水環(huán)境、聲環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展方面評價研究比較多，主要評價理論方法有:大氣污染超標(biāo)指數(shù)、集對分析法、水環(huán)境質(zhì)量灰色關(guān)聯(lián)度評價法、物元分析理論[1－7]。在煤炭開采環(huán)境影響方面研究的基本結(jié)論是:煤炭開采中比較突出的環(huán)境問題主要表現(xiàn)在地面沉陷 (露天礦挖掘)、地下水資源破壞、煤矸石堆存占地和自燃等方面，且煤炭開采受技術(shù)制約而產(chǎn)生的環(huán)境影響對生態(tài)脆弱區(qū)的破壞日趨嚴(yán)重，根據(jù)不同基地各生態(tài)要素對生態(tài)脆弱性總體得分的貢獻率，判斷不同基地的主要生態(tài)約束因素與約束程度，可以將我國煤炭基地分為水土因素交互作用型、地質(zhì)不穩(wěn)定和地面塌陷約束型以及生態(tài)功能約束型三種類型[8－14]。

2 我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)空間分異模型

2.1 我國生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系構(gòu)建

本研究通過文獻調(diào)研和德爾菲法，確定我國生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)大類指標(biāo)和單項指標(biāo)及其權(quán)重，將自然約束因子與人類活動影響因子同時引入，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境脆弱性指標(biāo)體系，有效避免前人研究對典型人文因素的分析不足 (見表1)。在研究方法上采用綜合指數(shù)方法、層次分析法和RS/GIS相結(jié)合的生態(tài)脆弱性評價方法，研究中引入GIS技術(shù)實用的空間分析功能可與多種評價方法實現(xiàn)鏈接，使得評價過程更簡單直觀。

表1 生態(tài)環(huán)境脆弱性指標(biāo)體系

2.2 生態(tài)環(huán)境脆弱性評價數(shù)據(jù)處理過程

(1)技術(shù)路線與數(shù)據(jù)數(shù)字化。在權(quán)威資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫、觀測數(shù)據(jù)和已有相關(guān)研究文獻數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過GIS空間統(tǒng)計和分析功能，首先對13項單項指標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)字化和統(tǒng)一投影，包括建立統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，采用Albers雙標(biāo)準(zhǔn)緯線等面積圓投影方式；構(gòu)建全國生態(tài)環(huán)境脆弱性指標(biāo)空間屬性數(shù)據(jù)庫，以地區(qū)行政區(qū)域范圍為基本單元，根據(jù)13項不同生態(tài)環(huán)境脆弱性指標(biāo)隸屬度劃分閾值，進行生態(tài)環(huán)境隸屬度空間賦值；然后進行多要素數(shù)據(jù)空間疊加數(shù)值分析。

(2)評價指標(biāo)隸屬度數(shù)值計算。根據(jù)相關(guān)文獻和全國生態(tài)環(huán)境實際狀況，將全國生態(tài)環(huán)境劃分為良好、較好、脆弱、較高脆弱和高脆弱5個等級，見表2。各單項指標(biāo)分別根據(jù)5個等級的隸屬度以全國地級市或地區(qū)為基本研究單元進行空間賦值，進而構(gòu)建基于地市級行政單元的全國生態(tài)環(huán)境脆弱性指標(biāo)空間數(shù)據(jù)庫。

應(yīng)用加權(quán)和空間疊加分析方法，根據(jù)計算下面公式，分別計算333個地級行政區(qū)域的地形特征、人類活動強度指標(biāo)、生態(tài)背景、環(huán)境背景四個大類指標(biāo)的生態(tài)環(huán)境脆弱性。分別構(gòu)建生態(tài)環(huán)境脆弱性大類指標(biāo)空間屬性數(shù)據(jù)庫，進行空間統(tǒng)計分析。

表2 生態(tài)環(huán)境脆弱性劃分標(biāo)準(zhǔn)

公式說明:Fi—i大類指標(biāo)綜合值；Wj—j單項指標(biāo)權(quán)重；Ij—j單項指標(biāo)隸屬度值。

運用ArcGIS9.3空間分析和統(tǒng)計功能，應(yīng)用自然斷裂法對全國333個地區(qū) (市)進行聚類分析，經(jīng)過調(diào)整，綜合聚類分析結(jié)果，進行自下而上的調(diào)整和歸并，在遵循以下原則上，獲得全國生態(tài)環(huán)境脆弱性空間分異特征。

2.3 我國生態(tài)環(huán)境脆弱性空間分異特征

習(xí)近平總書記強調(diào)，高校思想政治理論課教學(xué)“要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需求和期待”，這就明確了打贏提升思想政治理論課質(zhì)量和水平的攻堅戰(zhàn)，必須以學(xué)生為中心，以問題為導(dǎo)向，滿足學(xué)生的真需求和真期待，從而拉近課程與學(xué)生的距離和情感。

根據(jù)以上模型計算得到我國生態(tài)環(huán)境脆弱度的空間分異狀況。

(1)我國生態(tài)環(huán)境整體形勢不容樂觀，“胡煥庸地理線”以北更為嚴(yán)峻。我國生態(tài)環(huán)境空間分體特征總體表現(xiàn)為基本以胡煥庸地理線為界，線以北在青藏高原高寒區(qū)、黃土高原濕潤、半濕潤區(qū)，內(nèi)蒙古高原溫帶地區(qū)以及西北溫帶和暖溫帶荒漠地區(qū)形成了連片的較高和高脆弱地區(qū)。其中高脆弱地區(qū)呈現(xiàn)典型的集中連片面狀分布，總面積為 385萬平方公里，占陸地國土總面積的40.1%；包含新疆、青海、西藏、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西、山西、寧夏全部地區(qū)以及四川北部等行政區(qū)。沿西南－東北方向形成了巨大的帶狀較高脆弱地區(qū)，總面積168.7萬平方公里，占陸地國土總面積的17.6%。

(2)胡煥庸線過渡帶生態(tài)脆弱區(qū)呈組團分布。生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)呈現(xiàn)組團空間分布，在較高脆弱和生態(tài)環(huán)境較好地區(qū)之間形成了西南至東北方向的組團式破碎狀過渡地帶，總面積約為111.6萬平方公里，占陸地國土總面積的11.6%。集中在云貴高原和青藏高原交匯地帶、重慶、貴州、湖北接壤區(qū)、冀中平原、西遼河流域干旱區(qū)，河南、安徽和湖北接壤區(qū)等。

(3)生態(tài)環(huán)境尚好地區(qū)只占陸地國土面積的三分之一。胡煥庸地理線以南地區(qū)在東北和華北濕潤半濕潤溫帶地區(qū)、華中－華南濕潤亞熱帶地區(qū)、華南熱帶濕潤地區(qū)生態(tài)環(huán)境較好，總面積約為294.7萬平方公里，占陸地國土總面積的30.7%。包含山東、江蘇、浙江、上海、天津、福建、廣東、江西、海南全部地區(qū)和黑龍江、吉林、遼寧、河北、廣西、湖北、湖南、貴州、四川、云南大部分地區(qū)。

3 我國煤炭基地生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的判別與空間分布

3.1 我國主要煤炭基地空間分布

我國煤炭生產(chǎn)礦井分布在全國1300多個縣市，目前礦井個數(shù)有2.3萬余處，2011年全國煤炭產(chǎn)量中，晉、陜、蒙三省產(chǎn)量占42.6%，西北新、甘、寧、青占5.1%；西南的云、貴、川、渝占12.4%；東北三省占9.3%；京、津、冀占4.6%；華東7省占15.3%；中南5省占10.8%。

3.2 主要煤炭基地生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的辨別

我國煤炭基地生態(tài)環(huán)境脆弱度判定見表3，主要煤礦生態(tài)環(huán)境脆弱度指數(shù)見表4。將煤炭基地的空間分布與生態(tài)環(huán)境脆弱性的空間分布擬合，可以看出，全國約有70%以上的煤炭生產(chǎn)基地處于生態(tài)環(huán)境中等脆弱以上等級生態(tài)脆弱區(qū)。2009年，我國煤炭基地生態(tài)環(huán)境脆弱指數(shù)平均值僅為－0.07943，處于較高脆弱狀態(tài)。

表3 煤炭基地生態(tài)環(huán)境脆弱度判定隸屬度

表4 我國主要煤礦生態(tài)環(huán)境脆弱度指數(shù)

從目前的現(xiàn)狀看，生態(tài)環(huán)境處于高度脆弱的地區(qū)是神東煤炭基地、陜北煤炭基地和準(zhǔn)東基地，它們生態(tài)環(huán)境脆弱指數(shù)平均值均在－0.2以下，其中陜北基地生態(tài)環(huán)境脆弱指數(shù)平均值為－0.340，生態(tài)環(huán)境狀況在14個煤炭基地中處于最為脆弱狀態(tài)。冀中煤炭基地、蒙東－東北基地、兩淮基地和河南煤炭基地的生態(tài)脆弱指數(shù)在0.0～0.10之間，屬于生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)；晉北基地、晉東基地、晉中基地、云貴基地、黃隴基地和寧東基地的生態(tài)脆弱指數(shù)在－0.2～0.0之間處于生態(tài)環(huán)境較高脆弱區(qū)；目前只有魯西基地和蒙東 (東北)基地的黑東礦區(qū)生態(tài)脆弱指數(shù)處于0.1～0.3，屬于生態(tài)環(huán)境較好地區(qū)其中魯西基地生態(tài)脆弱指數(shù)為0.215，是目前全國煤炭基地生態(tài)環(huán)境最好的地區(qū)。

3.3 煤炭基地生態(tài)脆弱性類型分析

根據(jù)各煤炭基地生態(tài)脆弱性四個維度13個因素的分析 (見表5)，對我國煤電基地生態(tài)脆弱區(qū)，依據(jù)其主要脅迫因子的影響程度劃分為以下四種類型:

類型一:黃土高原水土因素交互脅迫型。該地區(qū)的生態(tài)脆弱性主要是由于水資源和土地資源的交互作用而形成。主要表現(xiàn)在地區(qū)降水量少且地區(qū)分布不均，水資源承載脅迫指數(shù)較高；而地表土地利用強度大，部分地區(qū)甚至被過度開墾；地表植被覆蓋率較低。此外，該類地區(qū)旱期容易發(fā)生表層土壤裸露；澇期則容易造成水土侵蝕和水土流失。這類地區(qū)主要以神東基地的神東礦區(qū)、準(zhǔn)格爾礦區(qū)、陜北榆神基地、晉北基地的大同、朔州礦區(qū)以及河南基地的焦作、洛陽、三門峽礦區(qū)為典型。更為嚴(yán)重的是，這類地區(qū)的煤炭開發(fā)多以露天開采為主。露天煤礦的開發(fā)，將進一步破壞地表植被的覆蓋，促使水資源的蒸發(fā)和地表的水土流失；而且煤礦開發(fā)的疏干水還將對地表水造成污染，加劇該地區(qū)的水資源脅迫性。

類型二:地質(zhì)不穩(wěn)定脅迫型。該類地區(qū)一般坡度都比較大，在15度以上；且地表開發(fā)利用強度比較大。但與類型一不同，該地區(qū)降水較多，發(fā)生水土流失以及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的概率比較高。通常滑坡嚴(yán)重度在中等水平以上。因此，該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性主要是由于地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致。以云貴基地為典型。

類型三:水資源脅迫型。在該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境要素中，地質(zhì)條件、土地利用強度、經(jīng)濟發(fā)展壓力以及地表覆蓋等因素條件都比較好，而突出的限制因子是水資源的脅迫程度比較高、而且干燥指數(shù)也比較高。一旦地面開發(fā)力度加大，破壞地表覆蓋植物，較高的干燥指數(shù)將使該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境處于嚴(yán)重脆弱狀態(tài)。這類地區(qū)主要以蒙東基地的錫林郭勒礦區(qū)、赤峰礦區(qū)與通遼礦區(qū)為典型。

類型四:生態(tài)功能脅迫型。該類地區(qū)的生態(tài)環(huán)境承載力相對良好，主要歸結(jié)于地區(qū)水土因素的良好匹配。但是，該地區(qū)是我國重要的生態(tài)功能服務(wù)區(qū)，對于穩(wěn)定全國生態(tài)環(huán)境具有重要意義。因此，該地區(qū)能源的無序開發(fā)很容易造成地區(qū)生態(tài)平衡的破壞。這類地區(qū)主要以蒙東基地的呼倫貝爾礦區(qū)為典型。

4 不同生態(tài)環(huán)境脅迫類型礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境綠色開采措施

4.1 對于黃土高原地區(qū)的煤炭開采要著重注意礦區(qū)及周邊水土資源保持

該類型礦區(qū)及周邊應(yīng)及時采取預(yù)防措施，防止水土流失、水資源破壞及土地沙漠化。區(qū)內(nèi)煤炭開采過程應(yīng)采取盡量減少礦坑水的涌出，對已經(jīng)涌出的礦坑水則加以處理和應(yīng)用，使礦坑廢水資源化重新利用，提高礦坑廢水的處理率，同時降低礦坑廢水的污染程度。要注意修建排水工程，地表徑流以排為主，排蓄結(jié)合。矸石的堆放應(yīng)以防止自燃和大的徑流沖刷為原則，矸石排滿后在其上覆土，建造先鋒植物，使地表迅速形成植被覆蓋。

4.2 對于地質(zhì)不穩(wěn)定地區(qū)的煤炭開采要著重注意礦區(qū)及周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)保護

該類型礦區(qū)開采前要深入研究該部分地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度，把開采過程中暴露地表的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)移到地層深處永久性儲藏，采取填充開采，從而緩解工作面支承壓力產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)，改善采場和巷道維護狀況，有效減少地表下沉和變形，提高煤礦采出率，防止地層塌陷，盡量保持原有地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)，避免地下與地表水滲漏導(dǎo)致植被枯死、生物多樣性損害、建筑損毀、土地沙漠化等災(zāi)害性事件的發(fā)生。

4.3 對于水資源缺乏地區(qū)的煤炭開采要著重注意礦區(qū)及周邊區(qū)內(nèi)水資源保護

該類型礦區(qū)開采前要深入研究礦區(qū)開采后巖層運動對巖體內(nèi)形成空隙的影響，巖體中液體的滲流規(guī)律，為保水開采的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。通過建立保水開采的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，提出保水開采機理。根據(jù)各礦區(qū)地質(zhì)特征，制定采煤方法規(guī)劃，確定合適的采煤方法，控制生態(tài)水位，采煤引起的水位下降幅度不得超越合理生態(tài)水位。

4.4 依據(jù)國土開發(fā)原則建立退出機制，逐步禁止對于生態(tài)功能脅迫區(qū)的煤炭開采活動

依據(jù)我國國土開發(fā)功能區(qū)規(guī)劃，對于生態(tài)環(huán)境極度脆弱區(qū)以及國家重要生態(tài)安全屏障區(qū)，應(yīng)逐步禁止在區(qū)域內(nèi)的資源開發(fā)活動。這部分地區(qū)生態(tài)脆弱度高且對我國整體生態(tài)安全意義重大，由于資源開采導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境損害難以修復(fù)，未來該部分區(qū)域煤炭開采應(yīng)逐步禁止。對于區(qū)內(nèi)已開采的露天礦區(qū)應(yīng)嚴(yán)格施行剝離—排土—造地—復(fù)墾一體化技術(shù)進行開采。

表5 我國主要煤炭基地的生態(tài)環(huán)境脆弱度指標(biāo)值

5 完善頂層設(shè)計，以技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)我國煤炭產(chǎn)業(yè)生態(tài)化發(fā)展

(1)加快技術(shù)創(chuàng)新，推行綠色開采，嚴(yán)格踐行生態(tài)礦山建設(shè)。依靠技術(shù)進步，采用井下充填、以矸換煤、保水開采等新工藝和新技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計，減輕對地表水和地下水的破壞，減少煤矸石和礦井水產(chǎn)生量以及采煤引起的地表沉陷等。

(2)建立生態(tài)補償機制，完善頂層設(shè)計，促進礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。明確企業(yè)和政府在生態(tài)環(huán)境治理方面的責(zé)任，完善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)補償機制、制定專項規(guī)劃，加大生態(tài)環(huán)境治理投入。

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(責(zé)任編輯 譚果林)

Ecological Fragility Degree Identification and Regulation Control Strategies of China’s M ajor Coal Bases

Liu Jiajun1，3，Shi Dan2，Li Yu3
(1.National Academy of Economic Strategy，CASS，Beijing 100045，China；2.Institute of Industrial Economy，CASS，Beijing 100836，China；3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，CAS，Beijing 100101，China)

This study is based on the spatial fitting by ecological environment fragility differentiation of China's land territory space and itsmajor coalmining area，which determines the environmental vulnerability ofmajor coalbases throughout the territory spatialextentof China.It reveals the different types of environmental constraint factors that related to coal bases.In the conclusion，we propose the green miningmeasures and future regulatory policy for different ecological constraint types of coal production bases.

Coal base；Fragility of ecological environment；Spatial correlation fitting；Adjust and control countermeasure

F062.1

A

國家自然科學(xué)基金 “京津冀城市群碳排放空間格局與影響機制研究”(41401188)，國家能源局委托課題 “十三五推進能源消費革命和節(jié)能減排的主要目標(biāo)及對策措施研究”(201312)。

2014－05－19

劉佳駿 (1982－)，回族，河北唐山人，中國社會科學(xué)院財經(jīng)戰(zhàn)略研究院助理研究員，理學(xué)博士，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所博士后；研究方向:能源經(jīng)濟，生態(tài)經(jīng)濟。